CaM-Kinase II, ein zu den Calcium/Calmodulin-abhängigen Protein-Kinasen zählendes, sehr gut untersuchtes Enzym. Diese multifunktionelle Protein-Kinase phosphoryliert eine Vielzahl unterschiedlicher Zielproteine und ist auf diese Weise an der Regulation des Energiestoffwechsels, der Ionenpermeabilität sowie der Synthese und Freisetzung von Neurotransmittern beteiligt. Die C. ist ein Dodekamer, wobei die 12 Untereinheiten aus vier homologen Polypeptidketten (α, β, γ und δ) bestehen und in Abhängigkeit vom Zelltyp in einem bestimmten Verhältnis exprimiert werden. In Abwesenheit von Ca²⁺/Calmodulin ist das Enzym inaktiv. Es wird durch Bindung mehrerer Moleküle Ca²⁺/Calmodulin aktiviert, wodurch es in die Lage versetzt wird, Zielproteine zu phosphorylieren. Darüber hinaus erfolgt durch gegenseitige Phosphorylierung seiner Untereinheiten eine Autophosphorylierung des multimeren Enzyms. Im autophosphorylierten Zustand bleibt die C. auch ohne Ca²⁺/Calmodulin aktiv. Das Enzym besitzt also gewissermaßen ein molekulares Gedächtnis, da es über den Zeitpunkt des ursprünglichen Ca²⁺-Signals hinaus so lange aktiv bleibt, bis es von Protein-Phosphatasen durch Dephosphorylierung in den inaktiven Grundzustand zurückgeführt wird. C. kommt in allen tierischen Zellen vor. Besonders hohe Konzentrationen findet man in Nervenzellen, wo C. speziell in den Synapsen angereichert ist. In den Neuronen, die Catecholamine als Neurotransmitter verwenden, aktiviert der über Calciumkanäle vermittelte Ca²⁺-Einstrom die C., die ihrerseits durch Phosphorylierung die Tyrosin-Hydroxylase aktiviert. Dadurch wird die Catecholamin-Synthese stimuliert.